Säker, tillförlitlig, billig och hållbar elproduktion är av stor vikt för människors livskvalitet och välstånd. Mycket möda läggs därför i dag på att förbättra de tekniska möjligheter som står till buds. Trots detta står fortfarande olja, kol och fossilgas för två tredjedelar av den globala elförsörjningen. Samtidigt blir argumenten för behovet av att minska växthusgasutsläpp från mänsklig verksamhet allt starkare.
Rimligen kommer inte en enstaka teknisk lösning vara allena saliggörande, utan vi kommer att behöva använda en palett av energiomvandlingar med låga koldioxidutsläpp. Faktum kvarstår dock att endast länder som valt att satsa på en kombination av kärnkraft och vattenkraft lyckats att väsentligt reducera koldioxidutsläpp från elproduktion. Länder med hög andel vindkraft, som Danmark och Tyskland, spelar alltjämt i bottenligan i jakten på det koldioxidfria elsamhället. Det enkla skälet är att vind kräver tillgång till reglerkraft.
På den nordiska elmarknaden kan det vatten som faller från himlen förvisso utgöra tillräcklig reglerförmåga för en stor närvaro av vind, men i ett globalt perspektiv ser det vanskligare ut.
Vad kan då kärnkraften bidra med? Olyckan i Fukushima visade att de ekonomiska konsekvenserna av en härdsmälta kan vara betydande. Lättvattentekniken behöver därför fortsätta utvecklas mot bättre säkerhet. Kostnaderna för nya kärnkraftverk blir därmed relativt höga. Trots detta väljer man oftare ny kärnkraft än andra alternativ på marknader där producenter och konsumenter fritt kan välja teknik, som exempelvis i Finland, England, Polen och Tjeckien.
En nackdel ur hållbarhetsperspektiv är den relativt knappa tillgången till uran-235. År 2050 beräknas det globala behovet av elproduktion vara uppe i 50 000 TWh per år. Skall kärnkraften om 40 år bistå med en lika stor andel av den globala elproduktionen som den gör i Europa i dag (~ 30%), handlar det om 2 000 nya reaktorer. De uppskattade resurserna av billigt uran-235 krymper då vips till motsvarande ett kvartssekels drift av dessa reaktorer.
En sedan länge känd lösning på resursproblemet är bridreaktorer, som kan omvandla uran-238 eller torium-232 till klyvbart material. Många kärnkraftsforskare har förespråkat dessa som en patentlösning på en rad problem, inklusive kärnavfallshantering och spridning av kärnvapenmaterial.
När tekniken provas i verkligheten, stöter man dock på patrull. Erfarenheter från drift av 20-talet natriumkylda reaktorer visar att kostnaden för att uppnå tillräcklig säkerhet och tillgänglighet är mycket hög. Heliumkylda reaktorer med kiselkarbidinkapslat bränsle har bättre säkerhetsmarginaler visavi härdsmälta, men de svaga punkterna är själva reaktortanken och en mycket komplicerad återvinningsprocess för bränslet. Saltsmältereaktorkonceptet kan se attraktivt ut vid en första anblick, men bryter mot fundamentala djupförsvarsprinciper varje kärnreaktor måste tillämpa för att förhindra radiologiska konsekvenser av olyckor. För blykylda reaktorer har det saknats strukturmaterial med tillräcklig tålighet mot korrosion och erosion.
Dessa tekniska trösklar har varit kända sedan 60-talet, och fram tills nu har försöken att komma över dessa genom utveckling av nya reaktortyper (ADS, GFR), material (ODS-stål, SiC-SiC) och återvinningsprocesser (pyrometallurgi) inte lett till väsentliga genombrott.
I september 2012 hände dock något som radikalt kan förändra vårt sätt att producera kärnkraftsel. Det statliga ryska kärnkraftsbolaget Rosatom meddelade då att man beslutat bygga den blykylda reaktorn BREST-300, med målet att ta den i drift år 2020.
Blytekniken har en rad fördelar jämfört med konventionell kärnkraft. Till exempel kan snabba reaktorer använda redan uppgrävt uran-238 som bränsle, vilket innebär att man kan fasa ut den uranbrytning som de facto utgjort kärnkraftens största miljöpåverkan. Vi gör oss dessutom oberoende av anrikning, som utgör den största risken för spridning av kärnvapenmaterial. Den höga kokpunkten för bly innebär att man har väsentligt längre tid på sig att åtgärda förlust av värmesänkor än vad fallet är för vattenkylda reaktorer, vilket minskar risken för härdsmälta.
Jämför vi med alternativa kylmedel för snabbreaktorer reagerar bly inte våldsamt med vatten, till skillnad från natrium. Tack vare en hög absolut värmeexpansion ger bly en högre potential för att föra bort restvärme med naturlig cirkulation. Skulle en bränsleskada ändå uppstå binder bly kemiskt de mest besvärliga klyvningsprodukterna (jod och cesium), vilket minskar de radiologiska konsekvenserna med flera storleksordningar. Dessutom utgör blyet i sig självt ett utmärkt skydd mot gammastrålning.
De stora problemen med blykylning är korrosion och erosion av strukturmaterial. Korrosionsprodukter som blockerade cirkulationen av kylmedel ledde till svåra härdskador i en bly-vismutkyld sovjetisk utbåtsreaktor år 1968. En metod för att kontrollera syrehalten i metallsmältan utvecklades då, som gjorde det möjligt att ta sju ubåtar med bly-vismutkylda reaktorer i drift under 70- och 80-talen.
Efter Sovjetunionens fall tog Ryssland bort hemligstämpeln på blytekniken och påbörjade ett långsiktigt forskningsprogram i syfte att utveckla kommersiella reaktorer. Vismut är ett relativt sällsynt element, som dessutom bildar radioaktivt polonium under bestrålning. Därför anses rent bly vara nödvändigt för elproduktion i stor skala. Då smältpunkten för bly är betydligt högre än för bly-vismutlegeringar blir drifttemperaturerna högre och problemen med korrosion en större utmaning att lösa.
1998 bjöds det internationella forskarsamfundet, inklusive undertecknad, in till en konferens utanför Moskva, som blev startskottet för ett omfattande utvecklingsprogram. I dag har denna forskning lett till två olika typer av material som kan användas för bränslekapsling i en blysmälta vid temperaturer mellan 400°C och 600°C.
Den ryska varianten är ett kiselanrikat ferritiskt-martenisitiskt stål, som bildar ett tunt ytskikt av kiseldioxid. I Tyskland har våra kollegor tagit fram en teknik för att belägga konventionella stål med en ytlegering av Fe-Cr-Al, vilken bildar ett ytskikt av aluminiumoxid. Båda dessa oxider har visat sig vara stabila och under långtidsexponering i bly. I Ryssland har man även genomfört ett omfattande bestrålningsprogram av sitt stål.
Resultaten från dessa experiment har varit så goda att man i Ryssland nu anser tekniken vara mogen för att uppföra en prototyp med elektrisk effekt på 300 MW med syfte att ta den i drift år 2020. Den 28e september presenterade Rosatom investeringar på 6 miljarder kronor för att bygga av BREST-300 i Tomskområdet, samt 4 miljarder kronor för en bränslefabrik där reaktorns (U,Pu)N-bränsle skall tillverkas.
Detta beslut är revolutionerande både för utvecklingen av kärnkraften och för dess roll i samhället. För första gången sedan 1960-talet kommer ett nytt kylmedel att användas för produktion av kommersiell elektricitet i industriell skala. Om anläggningen fungerar som avsett, öppnar det dörren för att producera en stor del av världens elbehov under tusentals år genom avfall från anrikningsanläggningar och nuvarande kärnkraftverk.
Svensk forskning om fjärde generationens kärnkraftssystem har fokuserat på just denna teknik. Sedan 2004 har KTH en bly-vismutslinga i drift där vi kunnat bestämma hur naturlig cirkulation av kylmedlet etableras efter förlust av pumpar. Sedan 2010 utvecklar vi tillsammans med Sandvik nya aluminiumlegerade stål, som visat mycket god korrosionstålighet i bly efter 10 000 timmars exponering vid 550°C.
Tillämpning av nitridbränsle behövs för att kompensera den något sämre neutronekonomin hos blyreaktorn. Dessutom möjliggör dess höga värmeledningsförmåga att ladda reaktorn med högre andel americium, och därmed åstadkomma effektivare transmutation av denna högaktiva komponent i det långlivade avfallet.
KTH har under 2000-talet lett utvecklingen av nitridbränslen inom EUs ramprogram och sedan ett par år tillbaka tillverkar vi tillsammans med Diamorph urannitridkutsar med en unik metod (starkströmsassisterad varmpressning), som våra ryska kollegor visar stort intresse för. På Chalmers har man nyligen installerat en anläggning för tillverkning av bränslen av högaktivt avfall, som kommer göra det möjligt att prova genuina bränslen för fjärde generationens reaktorer.
Tillsammans med en långsiktig strategi för nyttjande av kärnkraft har Sverige unika förutsättningar att leda utvecklingen av blykylda reaktorer utanför Ryssland. KTH, Chalmers och Uppsala universitet har därför föreslagit att uppföra en liten blykyld försöksreaktor med därtill hörande bränslecykelanläggningar i Oskarshamn, under namnet ELECTRA-FCC (European Lead Cooled Training Reactor Fuel Cycle Centre).
Sverige ledde på 80-talet arbetet med att ta fram tredje generationens reaktorer baserade på passiv säkerhet. ABB:s SECURE och PIUS-koncept blev tyvärr aldrig färdiga för kommersiell tillämpning, och idag bygger japanskägda Westinghouse reaktorer i Kina och USA baserade på samma filosofi.
Låt oss inte missa tåget en gång till!
Kärnkraftens blykylda framtid kan vara här fortare än någon vågat tro, och en investering i en svensk försöksanläggning skulle ligga helt rätt i tiden.
Janne Wallenius, professor och chef för institutionen för reaktorfysik på KTH
